数字喷墨打印技术给PCB产业带来的机遇与应用

数字喷墨打印技术给PCB产业带来的机遇与应用李卫明王恒义（广东东硕科技有限公司，广州广东510288）摘要数字喷墨技术已经应用于PCB，并为PCB产业带来新的机遇。文章综述了数字喷墨技术在PCB制造中的应用，包括其主要设备、主要材料和现存的问题。关键词数字喷墨技术；印制电路板；印制电子中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009-0096（2010）2-0053-08数字喷墨打印技术近几年已开始应用于PCB行业，并且被认为是PCB行业发展史上的一个新机遇。数字喷墨打印技术本质上是通过计算机辅助来控制印刷技术的一种产物，是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术。大概的工作过程是先将计算机存储的图文信息输入喷墨印刷机，再通过特殊的装置，在计算机的控制下，由喷嘴向承印物表面喷射专用墨滴，最后在承印物表面直接成像，得到最终的印刷产品。数字喷墨打印技术已经不再是一个梦想而是一个事实，该技术应用的领域非常的广泛，如已经应用于电子标签（RFID）、PCB、挠性显示器、太阳能电池、智能卡片等各类印制电子产品中。在2007年，Nanoident公司在奥地利开了世界上第一个印制半导体工厂，开始生产光传感器；同年，G24i公司在英国的一个新工厂里开始生产染色光感太阳能电池（DyeSensitizedSolarCell）。近几年，有些工厂已开始生产不同型号的印制和薄膜的光电产品，它们分别设立在美国、英国、东欧和日本。英国也开始对聚合显示印制卷式电泳显示器（PolymerVisionPrintingRollableElectrophoreticDisplays）进行生产，并建立了现代化的可印制电子技术中心（PETEC：PrintableElectronicsTechnologyCentre），该中心是个国家级的开发机构，有3000m2的空间，包括高技术洁净房、实验室、研究室和办公室，专门从事印制电子产品开发和商品化。数字喷墨打印技术许多工作已经在欧洲、美国和日本展开。在许多方面欧洲已处于领先地位，例如第一家印制电子厂就在那里出现。它是唯一一个有有机电子贸易协会和有关印制照明（PrintedLighting）主要国家计划的地区。英国的剑桥和德国的德累斯顿是特别活跃的地区，还要德国的法兰克福、奥地利的林茨（奥地利北部城市）和瑞典的南部都是其重要发展地区。另外，在美国的旧金山（美国加利福尼亚西部港市）地区和马萨诸塞州海岸费城（美国宾西法尼亚州东南部港市）地区与日本的东京、大阪（日本本州岛西南岸港市）地区都在积极的研究印制电子（PrintedElectronics）。韩国和台湾也都在追上这个步伐。在东亚，许多大型的公司也在研究。不过在欧洲和美国无论大公司还是小公司都在从事该领域的研究工作。在印制工业（PrintingIndustry）的有力支持下，所有地区的电子和化学塑料工业会有大量的发展。全球已经有非常大量的专利是关于数字喷墨打印技术的。在2006年和2007年这段时间，有大量的关于印制电子各方面的专利出现，它们来自索尼（Sony）、Toshiba日本东芝公司、Matsushita松下、Mitsubishi三菱、Canon日本佳能公司、Ricoh理光、AsahiKasei、Pioneer、Samsung三星、Philips飞利浦和其它大型公司。2006年之前的预测和所有的分析都认为要达到大量生产至少需要5年，即2011年。有些专家预测认为印制显示器（PrintedDisplays）和电子标签RFID（RadioFrequencyIdentification）会发展得最快，但也有其他专家认为柔性太阳能电池（FlexibleSolarCells）发展势头最强劲。基于NanoMarkets公司的GlenAllen分析，预测在2007年数字喷墨打印技术相关产品的收入会有354百万美元，到2011年会有121亿美元（图1）。综上所述，数字喷墨技术已经开始形成一个新的产业，并且会带来一个新的时代。我国开展数字喷墨技术已经是迫在眉睫，再继续等待，只会错失良机。在2008年3月17日，中国印制电路行业协会在上海成立了“全印制电子分会”。该分会的成立，意味着中国PCB工业开始密切的关注、研究和推广应用“全印制电子技术”（FullPrintedElectronics），更标志着中国PCB工业在发展道路上走上了新的起点。各企业应该联合攻关、联合创新，才能赶上这个发展的趋势，才能不迷失在这个发展的大潮中。下面将详细介绍数字喷墨技术在PCB产业中的应用。1全印制电子电路1.1数字喷墨打印技术在PCB工业中的应用概述“全印制电子技术”是指采用快速、高效和灵活的数字喷墨打印技术（DigitalPrintingInkjetTechnology）在基板上面形成导电线路和图形，或形成整个印制电路板的过程。也就是说全印制电子电路是指整个印制电路板的形成过程全部是用喷墨打印技术来完成的。即该技术能无掩膜、非接触地将有机、无机功能材料直接印制于PCB表面，从而能形成高精度的导电线路、导电图形、阻焊与字符、焊料互连等，再加上能连续打印就能大大提高产品的生产效率。采用“数字喷墨打印技术”的“全印制电子”来开发与生产PCB产品与传统工艺相比，有三个极大的优点，见表1所示。因此“数字喷墨打印技术”会在PCB工业中迅速得到推广和应用，并在不久的将来将成为PCB产品生产的主流。“数字喷墨打印技术”在PCB工业中的应用主要表现在4个方面，见表2所示。“数字喷墨打印技术”在PCB产业的应用过程也遵循一切事物发展规律，从小到大、从弱到强、从局部到整体、从低级到高级。因此“数字喷墨打1.2全印制电子电路制作工艺虽然利用喷墨印刷技术开发生产PCB产品还没有进入全面大规模工业化生产，但它可以极大地简化PCB的生产过程和缩短生产周期。不用掩模，十分灵活，生产过程几乎无“三废”，线条精细，可适用于刚性板和挠性基体，采用喷墨印刷技术需要5道左右工序，见图2所示。1.2.1CAD/CAM布线首先将CAD/CAM或其他数据格式的数据，即需要形成线路或图形的信息输入喷墨打印机，是非接触式的，简单的图形转移。而传统的图形转移要经过多个工序，过程复杂，产生废水。各种图形转移方法所需的工序比较，见表3所示。1.2.2钻孔钻孔工艺与目前使用的钻孔工艺基本一致，如机械钻孔、激光钻孔等。按照实际的情况来选择钻孔的方法。1.2.3前处理为了使基材表面能满足下道工序的要求，如清洁度、粗糙度等的要求，往往在进入下道工序之前进行前处理，要根据实际的需要选择酸、碱、去氧化或超粗化等的处理。1.2.4喷墨印制与固化这里把喷墨印制工序与固化工序放在一起的原因是固化工序的选择要根据喷墨打印工序过程中采用的油墨种类来决定，通常有非导电性油墨、导电性油墨和其它油墨三种。下面将详细介绍不同油墨的喷墨打印工序。（1）非导电性油墨非导电性油墨主要有两类：①抗蚀/抗镀墨水，用于取代传统干膜与湿膜；②阻焊、字符（含介质层）等墨水，取代常规的阻焊、字符（介质层/绝缘层）等油墨。数字喷墨打印机直接把抗蚀剂（抗蚀刻油墨）喷印到内层（或外层）在制板上，便可得到耐酸性或耐碱性的抗蚀刻图形，经过UV光固化后，便可进行蚀刻和去膜，从而得到内层等要求的线路图形。同样也可以进行抗电镀图形的印刷，其操作过程与抗蚀刻油墨印刷基本相同。采用数字喷墨打印技术与工艺来获得抗蚀刻/抗电镀图形，既减少了照相底片的制作过程，又避免了曝光和显影的过程，其带来的好处是节省了场地与空间，明显地降低了材料消耗（特别是底片和设备等），缩短了产品生产周期，减少了环境污染，降低了成本。更重要的是明显地提高了图形的位置度和层间对位度（特别是消除了底片的尺寸变化和曝光对位等带来的尺寸偏差）。数字喷墨打印机直接把阻焊剂（阻焊性油墨）或字符油墨直接喷印到PCB在制板上，分别经过UV光固化后，便得到最终需要的阻焊剂图形和字符图形。用数字喷墨打印技术与工艺来获得阻焊和字符图形，可明显提高PCB产品的阻焊和字符图形的位置精确度，能很好地改善PCB板质量和提高产品合格率。阻焊喷镀通常被认为是喷墨印刷最简单的应用，因为PCB的覆盖率非常高。（2）导电性油墨采用喷墨印制法制造PCB导线和导电图形的主要工艺，如图3所示，即对绝缘基板先进行表面处理，然后通过打印头将纳米金属油墨喷印在基板表面上，再低温烧结固化成型，便形成金属布线的电路板。多层线路板采用喷墨印制的工艺流程是采用超级喷墨打印机把金属纳米油墨喷印到无铜箔的基板上形成平面的线路层，然后在这层平面上喷印连接凸块，即层间的导通柱或电阻也是采用喷墨制成，用于层间连接，然后采用喷墨打印，形成层间的绝缘层，即绝缘材质也可以用喷墨打印形成，然后再在绝缘层上形成第二层的导电线路，依此类推，便可形成所需层数的多层电路板，即全印制电子的印制电路板。1.3主要设备与传统PCB所需的昂贵设备不同，喷墨印制技术的主要设备只是一台喷墨打印机。喷墨印刷系统主要由喷头、承印物和必要的传动控制系统构成。喷头和承印物之间处于非接触的状态。喷头射出的微小墨滴直接附着于承印物上，形成图文。当然不是普通办公用的喷墨打印机能满足全印制电子的要求，喷墨打印机对喷嘴和承印物本身也是有较高的要求。如在日本和美国市场已经推出的并用于PCB生产规模化的喷墨印刷设备，其主要性能和要求包括以下几个方面。（1）喷墨头（嘴），由它喷射出的墨滴大小和分辨率直接影响到线路的尺寸与精细度。分辨率与对应的墨滴尺寸见表4。（2）生产效率，要求喷墨打印机生产PCB的效率能够满足PCB规模化生产要求，如500mm×600mm，（20in×24in）的在制板应在20s~60s之间完成，即在单位时间内可形成PCB在制板的数量，它关系到是否能进行规模化生产和成本问题。目前市场化的产品有日本CicroCrafk.k.的MJ6151系列和美国的Printar公司的GreenjetTM系列等产品。MJ6151系列喷墨印刷机，其印刷的分辨率为300dpi~600dpi，喷射墨滴量最小为30pL，形成的线宽在80μm~150μm之间，只能满足一般PCB线路密度的要求。因此必须要开发更小的喷射墨滴量，达到更高的喷印分辨率，才能获得更小的线宽。如果印刷的分辨率为1200dpi~2400dpi，喷射墨滴量最小为3pL~6pL，则线宽可达到5μm~20μm。目前，已经在推出“超级”喷墨打印机，可以量产12μm~20μm、甚至达到3μm~5μm线宽的水平，那么喷墨打印技术很快就可用于PCB产品规模化生产了。1.4全印制电子电路的主要材料用于全印制电子电路的主要材料包括油墨（导电、非导电、其他油墨）和承载物（基材，绝缘介质）。关键材料——油墨。用于喷墨打印的油墨不同于常规的油墨（特别是黏度和触变性）。对于全部采用“数字喷墨打印技术”直接生产PCB所用的导电油墨，必须是纳米级金属（如银、金、铜等）颗粒的油墨才能保证在低温条件下进行烧结，并达到金属导体的导电率。用于印制电路板喷印的油墨中，非导电性油墨最重要的性能是黏度和触变性，而导电油墨的最关键性能是其中的金属颗粒（如银、金、铜等）要达到纳米级。1.4.1导电油墨纳米粒子一般是指颗粒尺寸是在1nm~100nm范围内的超微粒子，纳米粒子的制备方法很多，总体上分为两大类：物理法和化学法。而以物料的状态来分，可分为固相法、气相法、液相法三大类。目前金属纳米油墨主要用液相法，包括沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、溶剂热合成法、溶液蒸发和热分解法、电化学法、模板合成法、表面活性剂法、微波合成法、超声波合成法、光化学合成法、还有粉末包覆法、原位生成法、掺杂法等方法。纳米金属油墨须满足喷墨成型工艺所需的物理、化学性能要求才能被用于全印制电子电路的制备中，具体要求见表5。目前制备纳米金属油墨的主要材料是金、银、铜、钯、铂、镍等任一种纯金属微粒及其化物或合金。其中，由于银因具有最高的电导率（6.3×107s/m）和热导率（450W/m?K），因此成为最受关注的纳米金属油墨。其主要的制备工艺有两种：（1）金属有机/无机化合物还原成纳米粒子